特殊环境下大型构件全位置焊接移动机器人自主定位方法研究

There is an urgent need of all position repair welding mobile robot during the process of construction and maintenance of the large hydraulic power station. The existing pose measurement technique cannot reach the accuracy needed by all position repair welding mobile robot, because the working environment is enclosed and limited, and subsidiary sensor cannot be mounted. In this project, a novel method for attitude estimation based on rotation of inertial measurement unit (IMU) is developed. Using only a three-axis gyroscope together with a three-axis accelerometer, this method calculates the difference of inclination angle from the gyroscope and accelerometer respectively under different attitudes before and after rotation of IMU, therefore effectively improves the accuracy of attitude estimation, especially the heading angle. Based on the method above, the project will construct a high accuracy localization algorithm combining with traditional and visual odometry technique. At the same time the project will construct a small volume, low cost, and high accuracy self-localization system for mobile robot and apply it into the repair welding robot for large hydraulic power station. The project will not only promote the method of self-localization for mobile robot, but also provide one of the key technologies for the development of all position repair welding mobile robot with independent intellectual property.

大型水电站的建造和维护对全位置焊接移动机器人有着迫切需求，受作业环境封闭、作业空间受限、无法安装辅助传感器等条件约束，现有的移动机器人定位技术无法满足全位置修焊作业机器人对位姿和位置的高精度定位要求。本项目创新性地提出了一种通过旋转惯性测量单元（IMU）实现姿态定位的新方法，仅利用IMU内集成的三轴陀螺仪和三轴加速度计，通过旋转前后不同姿态下陀螺仪和加速度计输出的倾角数值，得到惯性测量单元漂移估计，有效地提高机器人姿态尤其是航向角的定位精度。在此基础上，构建融合惯导法、航迹法和视觉里程计法的高精度位置定位算法，构建体积小、成本低、精度高的机器人自主定位软硬件系统，并集成应用于大型水电站修焊作业机器人装备中。本项目既丰富和发展了现有的移动机器人自主定位理论方法，具有重要的科学意义；也为开发具有自主知识产权的全位置修焊作业机器人装备提供了关键技术支撑，工程应用价值显著。

大型水电站的建造和维护对全位置焊接移动机器人有着迫切需求，并要求其在修焊作业的过程中能够实现姿态和位置的高精度定位，但受作业环境封闭、作业空间受限、无法安装辅助传感器等条件约束，现有的移动机器人定位技术无法达到这一要求。本项目研究了基于多传感器信息融合的复杂曲面自主移动式修焊作业机器人的自主定位技术，主要研究成果为：提出并实现了一种基于惯性测量单元（IMU）旋转的适合于强磁场干扰、封闭环境下、曲面空间上全位置修焊作业移动机器人的高精度姿态自主定位方法，建立了基于姿态矩阵表征的解算方法，推导了重力矢量持续激励的机理，通过IMU旋转方法实现对重力矢量的持续激励，结合IMU旋转方法和非线性互补滤波器方法并设计相应算法，将航向角误差由大于20°/h减小至4°/h左右；提出并实现了一种融合姿态定位信息和二维平面测程法定位信息的三维里程计方法，推导了平面上的二维里程计扩展到曲面上的三维里程计模型，提出了基于扩展卡尔曼滤波原理的多信息融合算法，实现不同传感器得到的多维信号之间的相互修正，将机器人在变曲率曲面上位置定位精度提高到20mm以内（运动距离35m）；研究并实现了多种通过融合IMU、RGB-D相机和编码器等传感器提供的角速度、彩色图像、深度图像、驱动轮速度等多种信息，利用图像特征点的重投影误差约束、机器人与曲面点云的位置约束、IMU测量误差约束，对位置和姿态进行非线性优化，对机器人位置和姿态进行非线性优化，进一步提高三维空间曲面上移动机器人的自主定位精度的算法。在此基础上，研制了搭载RealSense sr300型RGB-D相机、ADIS16445型IMU、EB38K6A-QF180926型增量编码器等多传感器的具有自主定位功能的全位置作业移动机器人样机，验证了相关算法的有效性。相关研究成果既丰富和发展了现有的移动机器人自主定位方法，具有重要的科学意义；也为研制具有自主知识产权、满足大型水电工程需求的全位置修焊作业机器人提供了理论指导和技术支撑。